Фотон и формула энергии света в физике

Теорию квантовой природы электромагнитного излучения презентовали в 1900 году. Только она могла объяснить свойства теплового излучения и явление фотоэффекта. Макс Планк предположил, что свет — не непрерывное излучение, оно излучается порциями – квантами или фотонами. Рассмотрим, что собой представляет фотон, формулу для вычисления его энергии. Ознакомимся со свойствами и источниками этой элементарной частицы.

Энергия фотона, формула её вычисления

Эйнштейн в продолжение работ Планка предположил, что электромагнитная волна в оптическом диапазоне — поток элементарных частиц — фотонов, которые в вакууме перемещаются со скоростью света: 300*10⁶ км/с. Каждая переносит мельчайшую частицу полевой электромагнитной энергии. Вследствие взаимодействия с веществом передаёт свой потенциал электронам и прекращает своё существование. Минимальная энергия фотона (кванта) вычисляется по формуле E = hν, где h — постоянная Макса Планка. Благодаря формуле легко высчитать частоту излучения фотона: ν = с/λ, здесь λ — длина волны излучения.

Квантовая составляющая электромагнитных волн демонстрируется при изучении небольшого пучка высокоэнергетических фотонов. Яркие примеры – явление фотоэффекта и рентгеновское излучение. Изучать свойства фотонов, работая с оптическим излучением, нецелесообразно из-за малой энергии фотонов в оптическом диапазоне. Она равняется всего ~3,1 * 10^-19 Дж, поэтому тяжело отличается от волны, распространяющейся во все стороны. В рентгеновском спектре проще испускать энергию порциями в определённом направлении.

Свойства и особенности квантов

Фотон, по представлениях физиков XX века, которые и ныне остаются неизменными, является странной и интересной частицей.

• В вакууме он постоянно движется со скоростью света — в состоянии покоя не существует.
• Не имеет массы, представляет собой сгусток энергии, на который не действует гравитация.
• Не может иметь электрического заряда — всегда нейтрален: q = 0.
• Внутренний угловой момент (спин) равен единице.
• При движении наблюдателя навстречу фотону его цвет становится фиолетовым, от него — красным.
• В прозрачной среде (вода, стекло) кванты замедляются.
• Фотоны с большим потенциалом вещество замедляет значительнее, чем низкоэнергетические.
• Фотоны с различной энергией колеблются с разной частотой.
• При возврате частицы из среды в вакуум она обратно разгоняется до скорости света.
• Кванты излучаются атомами при переходе электронов на орбиту с меньшей энергией.
• Атомы могут поглощать частички света, вследствие чего изменяется их энергетическое состояние.

Задача

Определите величину энергии фотона света, используя известную формулу, если дана длина волны: 6 * 10^-7 м.

Воспользуемся формулами E = hν и ν = c/λ.

H = 6,63*10^-34 Дж, с = 3*10⁸ м.

Получим: E = hc/ λ = 6,63*10^{-34 *}  3*10⁸ / 6 * 10^-7 = 3,315 * 10^-19 Дж.

Ответ: E = 3,315 * 10^-19 Дж.